Häufiges Auf- und Entladen von E-Auto-Batterien verkürzt deren Lebensdauer. Im Forschungsprojekt Spartacus nutzen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC eine Reihe unterschiedlicher Sensoren. Diese beobachten den Status der Batteriezellen.
Die Daten ermöglichen dem Batteriemanagement-System, Lade- und Entlade-Prozesse und die Belastung einzelner Zellen im Batteriemodul zu optimieren. Dadurch lasse sich das Aufladen deutlich beschleunigen und die Lebensdauer der Akkus verlängern, heißt es beim ISC. Das Institut verweist auf das „erstaunlich komplexe Innenleben der Batterien“. Das biete viel Potenzial zur Leistungssteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit.
Detail der gedruckten Platine für die Batteriesensorik mit montiertem Temperatursensor und gedruckten Ultraschallsensoren.
Bild: © A. Latour CEA für Spartacus
Mit Schallimpulsen Schäden entdecken
Die Forschenden wollen dieses Potenzial besser nutzen. Die akustischen, mechanischen und thermischen Sensoren überwachen und messen Vorgänge in den Batterien. Ultraschall-Sensoren etwa senden Schallimpulse aus, die verschiedene Schichten der Batteriezellen durchqueren und wieder von Sensoren detektiert werden. Wenn sich eine Zelle beim Laden ausdehnt oder ein Defekt an einer Elektrode auftritt, wirkt sich dies auf die Laufzeit des Schallsignals aus.
Ebenso wichtig: die druckempfindlichen, mechanischen Sensoren. Sie registrieren, wie bestimmte Komponenten während des Auf- oder Entladens ihr Volumen ändern. Thermische Sensoren wiederum messen die Temperaturänderungen.
Wenig Stress für die Batterie
Alle Sensordaten werden an das Batteriemanagement übermittelt und dort ausgewertet. Es ist damit in der Lage, die elektrischen Ströme so zu steuern, dass einerseits die maximal mögliche Leistung zur Verfügung steht. Andererseits geschieht dies aber so schonend, dass die relevanten Funktionsschichten der Batterie nicht übermäßig gestresst werden.
Die in Spartacus entwickelte Sensor-Technologie kann laut ISC für den gesamten Lebenszyklus eines Batterieprodukts eingesetzt werden. Bereits in der Konstruktion und Entwicklung helfe sie beim Optimieren der Qualität. In der Produktion gewährleisten Ultraschallsensoren, dass das fertige Produkt im optimalen Zustand vom Band läuft. Wenn die Leistung der Batterie nach einigen Jahren abnimmt, könnten die Sensoren auch genutzt werden, um die Batterie für eine Zweitnutzung zu qualifizieren.
Die Technologie ist nicht nur für Lithium-Ionen-Akkus einsetzbar. Sie lasse sich beispielsweise auch auf Festkörperbatterien oder Lithium-Schwefel-Akkus anwenden. Im nächsten Schritt arbeitet das Forscher-Team an der Umsetzung und entsprechenden Prototypen. (wa)
